DE10207828A1

DE10207828A1 - Solenoid magnet has stator and excitation coil, with armature including permanent magnet polarized at right angles to direction of motion of armature

Info

Publication number: DE10207828A1
Application number: DE2002107828
Authority: DE
Inventors: Juergen Fechtl; Thomas Roschke
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Johnson Electric Dresden GmbH
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: DE10207828B4

Abstract

The solenoid magnet includes at least one magnet system comprising a stator and an excitation coil, for generating a magnetic flux in the moving direction of an armature to act on a transfer member. The armature includes a permanent magnet device (44) polarized at right angles to the direction of motion of the armature. The armature may be arranged between two magnetically isolated magnet systems (2,3).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Hubmagnet mit Permanentmagnet, bestehend aus mindestens einem mit einer Erregungswicklung versehenem Magnetsystem zum Erzeugen eines Magnetflusses in Bewegungsrichtung eines dem Magnetsystem gegenüber angeordneten Ankers. The invention relates to an electromagnetic solenoid with permanent magnet, consisting of at least one with one Excitation winding provided magnet system for generating a Magnetic flux in the direction of movement of the magnet system opposite anchors.

Der Hubmagnet zeichnet sich durch große Haltekräfte in den stabilen Endlagen und durch große Umschaltkräfte zu Beginn des Umschaltvorganges bei minimaler Masse bzw. minimalem Volumen des Hubmagneten aus, sowie durch ein dauerhaftes, stromloses Halten des Ankers in mindestens einer von beiden Endlagen lediglich mit Hilfe eines oder mehrerer Dauermagnete, ohne das Einwirken einer Feder. Der Hubmagnet kann beispielsweise als Stell- oder Schaltmagnet eingesetzt werden. The lifting magnet is characterized by large holding forces in the stable end positions and large switching forces at the beginning the switching process with minimal mass or minimal Volume of the solenoid, as well as a permanent, Electroless holding of the anchor in at least one of the two End positions only with the help of one or more Permanent magnets without the action of a spring. The solenoid can can be used for example as a control or switching magnet.

Ein aus der DE 197 12 293 A1 bekannter elektromagnetischer Hubmagnet mit zwei zueinander beabstandeten und jeweils eine Erregerspule aufweisenden Elektromagnetsystemen, zwischen denen ein mit einem Stellschaft fest verbundener und durch die Magnetsysteme in zwei Schaltpositionen bewegbarer Anker angeordnet ist, nimmt im stromlosen Zustand eine stabile Position ein. Dazu sind u. a. zwei Federn, ein Magnetsystem mit einem in Bewegungsrichtung polarisierten Dauermagnet und ein Magnetsystem ohne Dauermagnet sowie zwei auf Wickelkörper gewickelte Spulen zum Schalten des Hubmagneten notwendig. An electromagnetic known from DE 197 12 293 A1 Solenoid with two spaced apart and one each Electromagnetic systems having excitation coil, between to those who are firmly connected with a position and through the magnet systems in two switch positions movable armature is arranged, takes a stable in the de-energized state Position on. These are u. a. two springs, a magnet system with a polarized permanent magnet and a Magnet system without permanent magnet and two on a winding body wound coils necessary to switch the solenoid.

Mit dieser Anordnung können im stromlosen Zustand keine zwei stabilen Zustände eingenommen werden. Die eine stromlose stabile Position des Ankers wird durch einen im Stator befindlichen Dauermagneten und den beiden Federn sichergestellt. Die andere Position kann nur im bestromten Zustand der Spulen eingenommen werden. Bei Wegfallen des Haltestromes fällt der Anker mit Hilfe der zwei Federn automatisch wieder in seine Ausgangslage zurück. Ein dauerhaftes Halten des Ankers in der unstabilen Position verbraucht elektrische Energie. Die beiden Magnetsysteme sind nicht baugleich. Die zwei Federn, die auf Spulenträgern gewickelten Spulen und das Herausstehen des Stellelementes in Ruhelage auf der Seite des Dauermagneten hat sowohl ein größeres Bauvolumen und auch entsprechendes Gewicht zur Folge. With this arrangement, no two can in the de-energized state stable states. The one without electricity stable position of the armature is ensured by a in the stator permanent magnets and the two springs. The other position can only be in the energized state of the coils to be taken. If the holding current disappears, the Anchor automatically back into his with the help of the two springs Starting position back. A permanent hold of the anchor in the unstable position consumes electrical energy. The the two magnet systems are not identical. The two feathers coils wound on bobbins and the protrusion of the Control element in the rest position on the side of the permanent magnet has both a larger construction volume and corresponding Weight.

Des weiteren ist ein elektromagnetischer Hubmagnet von geringer Masse und Volumen bekannt, welcher in der Raumfahrt zum Einsatz kommt. Mit diesem Hubmagneten ist nur ein einziges Mal ein Schalten möglich, da der Anker durch eine mechanische Verriegelung, die auf dem Wege der Fernschaltung bedient und ohne menschlichen Eingriff nicht mehr aufgehoben werden kann, in seiner Position verharrt. Ein wiederholtes Schalten ist damit ausgeschlossen. Dieser Hubmagnet benötigt nur kurzzeitig einen hohen Stromimpuls zum einmaligen Schalten des Hubmagneten. Furthermore, an electromagnetic solenoid from known low mass and volume, which in space travel to Commitment comes. With this solenoid there is only one Switching is possible because the armature is mechanical Locking operated by remote control and can no longer be canceled without human intervention, remains in its position. A repeated shift is thus excluded. This solenoid only needs briefly a high current pulse for switching the Solenoids.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Hubmagnet so weiterzubilden, dass lediglich für den Schaltvorgang ein kurzer Stromimpuls und somit insgesamt ein geringer Energieverbrauch erforderlich ist. Der Hubmagnet soll bei verringertem Fertigungs- und Montageaufwand in Volumen und Masse minimiert und die magnetisch erzeugten Kräfte dabei maximiert werden. Der Hubmagnet soll weiterhin im stromlosen Zustand mindestens einen stabilen Zustand einnehmen und beliebig oft betätigbar sein. Es sollen sich Schaltzeiten kleiner als 10 ms erzielen lassen. The present invention is based on the object Generic solenoid so that only for the switching process a short current pulse and thus overall, low energy consumption is required. The The solenoid is designed to reduce manufacturing and assembly costs minimized in volume and mass and the magnetically generated Forces are maximized. The solenoid should continue at least one stable state when de-energized take and be operated as often as you want. It should Let switching times be less than 10 ms.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung geben die abhängigen Ansprüche 2 bis 19 an. The object is solved by the features of claim 1. Advantageous developments of the invention give the dependent claims 2 to 19.

Erfindungsgemäß besitzt der Anker eine senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers polarisierte Dauermagnetanordnung. Diese ist bevorzugt zwecks Bündelung des magnetischen Flusses von Weicheisenelementen umgeben. Die magnetische Energie und Anordnung des Dauermagneten sorgt im Unterschied zu bekannten Hubmagneten mit vergleichbarer Masse für sehr große Haltekräfte. According to the armature has a perpendicular to Direction of movement of the armature polarized permanent magnet arrangement. This is preferred for the purpose of bundling the magnetic flux surrounded by soft iron elements. The magnetic energy and The arrangement of the permanent magnet ensures, in contrast to known ones Solenoids with comparable mass for very large ones Holding forces.

Die aufgezeigte Lösung zeichnet sich durch ein besonders schnelles Umschalten (typisch < 10 ms) und durch eine einfache Bauweise aus. Zum Schalten ist nur ein kurzer Stromimpuls notwendig, so dass der Energieverbrauch dadurch äußerst gering ist. Da der Anker ein sehr kleines Trägheitsmoment aufweist und die verwendete Dauermagnetanordnung eine hohe Energiedichte besitzt, ist ein sehr schnelles Schalten des Hubmagneten möglich. Das erfindungsgemäße Einbringen mindestens eines Dauermagneten senkrecht zur Bewegungsrichtung in den Anker erlaubt es, zwei gegenüberliegende Magnetsysteme baugleich auszuführen. Es kann somit auf Dauermagnete in den Statoren verzichtet werden. Mit Hilfe eines Stromimpulses von geeigneter Polarität und Größe wird der magnetische Fluss in der Dauermagnetanordnung kompensiert. Das Streufeld um den Anker vergrößert sich, so dass bei einem zweiten Magnetsystem bereits eine Kraftwirkung in Richtung der anderen Endlage erzeugt wird. The solution shown is characterized by a special fast switching (typically <10 ms) and by one simple design. There is only a short current pulse for switching necessary so that the energy consumption extremely is low. Because the anchor has a very small moment of inertia has and the permanent magnet arrangement used a high Has a very fast switching of the Solenoids possible. The introduction according to the invention at least of a permanent magnet perpendicular to the direction of movement in the Anchor allows two opposing magnet systems identical in construction. It is therefore possible to use permanent magnets in the Stators are dispensed with. With the help of a current pulse from suitable polarity and size, the magnetic flux in the permanent magnet arrangement compensated. The stray field around the Armature increases, so that with a second magnet system already a force effect in the direction of the other end position is produced.

Schaltet man mit einem Stromimpuls gleichzeitig zwei Spulen, wobei die erste den magnetischen Fluss des Dauermagneten in der Haltelage kompensiert und die zweite den Magnetfluss des Dauermagneten in Richtung der anderen Endlage verstärkt, wird eine große Umschaltkraft erzeugt. Durch mindestens einen Dauermagneten im Anker wird ein stromloses Halten in der jeweiligen Endlage erreicht. If you switch two coils at the same time with a current pulse, the first being the magnetic flux of the permanent magnet in the holding position compensated and the second the magnetic flux of the Permanent magnet is reinforced in the direction of the other end position generates a large switching force. By at least one Permanent magnets in the armature will hold in the currentless state respective end position reached.

Die Haltekräfte des Hubmagneten lassen sich beträchtlich steigern, wenn Anker und Stator bzw. die beiden baugleichen Statoren beim Einsatz von zwei Magnetsystemen magnetisch voneinander getrennt ausgeführt sind. Das bedeutet für eine vorteilhafte Ausführung, dass das Stellelement bzw. die Stellstange und die Hülse nichtmagnetisch sind. Dadurch werden die stets vorhandenen magnetischen Streuflüsse minimiert und es fließt ein Großteil des von der Dauermagnetanordnung erzeugten magnetischen Flusses in das Magnetsystem, an dem der Anker anliegt. The holding forces of the solenoid can be considerable increase if armature and stator or the two of identical construction Stators magnetic when using two magnet systems are carried out separately. That means for one advantageous embodiment that the control element or Control rod and the sleeve are non-magnetic. This will make the minimized magnetic stray fluxes always present and it much of it flows from the permanent magnet assembly generated magnetic flux in the magnet system on which the Anchor is present.

Der magnetische Fluss des Dauermagneten wird konzentriert, indem in Magnetisierungsrichtung des Dauermagneten mindestens ein weichmagnetisches Teil angebracht wird. Da die Permeabilität des Dauermagneten nur geringfügig größer als die von Vakuum oder Luft, die Permeabilität von weichmagnetischen Material aber um ein Vielfaches größer und somit der magnetische Widerstand bedeutend geringer ist, verläuft der magnetische Fluss des Dauermagneten zum großen Teil durch dieses Material. So kann nach Belieben der magnetische Fluss gebündelt und in die gewünschte Richtung gelenkt werden, damit die beabsichtigte Wirkung erzielt wird. The magnetic flux of the permanent magnet is concentrated by at least in the direction of magnetization of the permanent magnet a soft magnetic part is attached. Since the Permeability of the permanent magnet only slightly greater than that of Vacuum or air, the permeability of soft magnetic But the material is many times larger and therefore the magnetic resistance is significantly lower, the Magnetic flux of the permanent magnet largely through this Material. So the magnetic flux can at will bundled and directed in the desired direction so that the intended effect is achieved.

Die Spulen werden körperlos gewickelt, wobei die Erregerwicklungen bei der Verwendung von Kupferlackdraht durch Klebstoff oder bei fachgerechter Verwendung von Backlackdraht durch Erhitzen mechanisch miteinander verbunden sind. Da zwischen Spule und Stator nur noch ein geringer Spalt ist, wird der in den Spulen erzeugte magnetische Fluss nahezu vollständig in das Magnetsystem eingeleitet. Das führt zur Verringerung von Masse und Volumen bei vergleichbaren Kräften gegenüber anderen Hubmagneten. Eine weitere Einsparung erreicht man, indem beim Umschalten die maximale Stromdichte in der Spule die üblichen Werte um ein Vielfaches überschreiten. Der Umschaltimpuls ist nur von kurzer Dauer und die maximale Schaltfrequenz wird begrenzt, so dass die Spule nicht thermisch überlastet wird. Auf diese Weise verkleinert sich das Volumen der erforderlichen Wicklungen erheblich und der Energieverbrauch wird auf ein Minimum reduziert. The coils are wound disembodied, the Excitation windings when using enamelled copper wire with adhesive or with professional use of baked enamel wire Heating are mechanically connected. Between Coil and stator is only a small gap, the in magnetic flux generated almost entirely in the coils initiated the magnet system. This leads to the reduction of Mass and volume compared with comparable forces other solenoids. Another saving can be achieved by when switching the maximum current density in the coil exceed the usual values many times over. The Switching impulse is short and the maximum Switching frequency is limited so that the coil is not thermal is overloaded. In this way, the volume of the required windings significantly and energy consumption is reduced to a minimum.

Bei der Auslegung der Spulen und der Ansteuerelektronik ist sicherzustellen, dass die elektrisch erzeugten Feldstärken keine partielle Entmagnetisierung des im Anker angeordneten Dauermagneten verursachen. When designing the coils and the control electronics ensure that the electrically generated field strengths no partial demagnetization of the arranged in the armature Cause permanent magnets.

Vorzugsweise wird als Material für den Dauermagneten hochkoerzitives Magnetmaterial wie z. B. Neodym-Eisen-Bor- Legierungen (Ne₂Fe₁₄B) verwendet, so dass auch hier eine Volumen- und Gewichtsersparnis gegenüber anderen Magnetmaterialien möglich ist. Preferably, the material for the permanent magnet is highly coercive magnetic material such as, for. B. Neodymium-iron-boron alloys (Ne ₂ Fe ₁₄ B) are used, so that a volume and weight savings compared to other magnetic materials is possible.

Der Verzicht auf Federn erlaubt es, den gesamten Hubmagneten kleiner zu bauen, da dieses Volumen für die magnetischen Systeme genutzt werden kann. Darüber hinaus können die Gleitlager näher an der Ankerscheibe platziert werden, so dass ein Ende des Stellelements vollständig im Hubmagneten verbleibt. Es muss deshalb außerhalb des Hubmagneten kein weiterer Freiraum vorhanden sein. The absence of springs allows the entire lifting magnet to be used build smaller because of this volume for the magnetic Systems can be used. In addition, the Plain bearings can be placed closer to the armature plate so that a End of the actuator remains completely in the solenoid. There is therefore no need for any other outside the solenoid There should be space.

Eine Kalibrierung der Haltekräfte und eine Reduzierung des Aufprallimpulses erfolgt mit mindestens einem nichtmagnetischen Dämpfungselement, welches an einer Stirnseite der Ankerscheibe angebracht ist. Diese Maßnahme verringert die Temperaturabhängigkeit der Kräfte des Hubmagneten, weil der magnetische Widerstand des Restluftspaltes zwischen Stator und Ankerscheibe dominiert und die temperaturbedingten Änderungen durch die weichmagnetischen Komponenten und insbesondere durch den Dauermagnet relativ dazu gering sind. Calibrating the holding forces and reducing the Impact pulse occurs with at least one non-magnetic damping element, which on one end of the Armature plate is attached. This measure reduces the Temperature dependence of the forces of the solenoid because of Magnetic resistance of the residual air gap between the stator and armature disk dominated and the temperature-related Changes due to the soft magnetic components and are relatively low, in particular due to the permanent magnet.

Eine weitere Vereinfachung des Hubmagneten wird durch den Einsatz von Klebverbindungen erreicht, wie z. B. das Einkleben der Spulen direkt in die Magnetgrundkörper, das Verkleben der Weicheisenteile des Ankers mit dem Dauermagnet und der Stellstange mit der Ankerscheibe sowie der Hülse mit den Statoren. Durch das Kleben entfallen aufwendige mechanische form- und kraftschlüssige Verbindungen, die zur Miniaturisierung des Hubmagneten beitragen. The solenoid is further simplified by the Use of adhesive bonds achieved such. B. gluing the coils directly into the magnetic base body, gluing the Soft iron parts of the anchor with the permanent magnet and the Adjusting rod with the armature disk and the sleeve with the stators. By gluing elaborate mechanical shape and positive connections that are used to miniaturize the Contributing solenoids.

Die gezielte Beeinflussung der Kraft-Weg-Kennlinie des Hubmagneten wird durch bekannte Methoden zur Kennlinienbeeinflussung erreicht. The targeted influencing of the force-displacement characteristic of the Solenoids are made by known methods Characteristic curve influence reached.

Bei einer scheiben- bzw. ringförmigen Ausführung des Ankers entsteht, bedingt durch die großen Fertigungstoleranzen von Dauermagneten, ein Spalt zwischen Dauermagnet und Weicheisenring. Dieser Spalt erhöht die Verluste im Magnetkreis. Wenn eine individuelle Fertigung der Weicheisenringe passend zum jeweiligen Dauermagneten vermieden werden soll, kann der weichmagnetische Ring offen als Federring hergestellt werden, so dass dieser durch die Federkraft fest am Dauermagneten anliegt und der Spalt somit minimal ist. In the case of a disk-shaped or ring-shaped design of the anchor arises due to the large manufacturing tolerances of Permanent magnet, a gap between permanent magnet and Soft iron ring. This gap increases the losses in the magnetic circuit. If an individual production of the soft iron rings to match respective permanent magnet should be avoided, the soft magnetic ring can be made open as a spring ring, so that it is firmly attached to the permanent magnet by the spring force is applied and the gap is therefore minimal.

Die bei Dauermagneten auftretende Fertigungstoleranz des Maßes parallel zur Bewegungsrichtung des Ankers wird kompensiert, indem die den Dauermagneten in Magnetisierungsrichtung umgebenden Weicheisenteile in Bewegungsrichtung dem Dauermagneten vorstehen. The manufacturing tolerance of permanent magnets Dimension parallel to the direction of movement of the armature compensated by the permanent magnet in the direction of magnetization surrounding soft iron parts in the direction of movement Project permanent magnets.

Das Führen des Ankers durch ein Stellelement erfolgt z. B. durch eine konzentrisch in beiden Statoren gelagerte Stange. Auf eine der Führungsstellen kann verzichtet werden, wenn die Führung so dimensioniert ist, dass die Stellstange nicht verklemmt. Dadurch wird eine Lagerstelle eingespart und der Montageaufwand verringert. The anchor is guided by an actuating element, for. B. through a rod mounted concentrically in both stators. One of the management positions can be dispensed with if the Guide is dimensioned so that the control rod is not jammed. This saves one bearing and the Assembly effort reduced.

Der erfindungsgemäße Hubmagnet lässt sich vorteilhaft so weiterbilden, dass dieser in Volumen und Masse weiter verringert wird. Hierzu ist nur ein Magnetsystem und ein Anker mit einem Stellelement notwendig. Es kommt eine Feder hinzu, deren Kräfte Anker und Magnetsystem auseinander drücken. Die Haftkraft des Ankers ist jedoch größer als die Rückstellkraft der Feder, so dass der Anker am Magnetsystem anliegt. Durch einen geeigneten Umschaltimpuls drückt die Feder den Anker in die andere Endlage. Erfolgt nun ein entsprechender Umschaltimpuls entgegengesetzter Polarität und ausreichender Dauer, wird der Anker in die Ausgangsstellung zurückgeschaltet. Selbstverständlich kann die Federkraft auch von außen eingetragen werden, beispielsweise vom zu stellenden Aggregat. The solenoid according to the invention can advantageously be so further that this further decreases in volume and mass becomes. There is only one magnet system and one anchor with one Control element necessary. A feather is added, the Force the armature and magnet system apart. The However, the adhesive force of the anchor is greater than the restoring force of the Spring so that the armature is in contact with the magnet system. Through a suitable switching impulse, the spring presses the anchor into the other end position. There is now a corresponding switchover pulse opposite polarity and sufficient duration, the Anchor switched back to the starting position. Of course, the spring force can also be entered from the outside be, for example from the unit to be provided.

Aus einem bistabilen Hubmagneten lässt sich auf einfache Weise ein monostabiler Hubmagnet bilden, indem die Feder bei angezogenem Anker die Haltekräfte des Dauermagneten ohne Unterstützung eines Umschaltimpulses überwindet. Der Umschaltimpuls ist dabei immer von gleicher Polarität. Die Dauer des Umschaltimpulses legt fest, wie lange der Anker in der unstabilen Position verharrt. A bistable solenoid can be easily Form a monostable solenoid by the spring tightened anchor the holding forces of the permanent magnet without Support of a switchover impulse overcomes. The Switching impulse is always of the same polarity. The duration of the Toggle pulse determines how long the anchor in the unstable position persists.

Ein Hubmagnet nach der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. A solenoid according to the invention is described below of an embodiment described in more detail.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 einen Hubmagnet in einer stabilen Endlage "a" im Längsschnitt, Fig. 1 shows a lifting magnet in a stable end position "a" in the longitudinal section,

Fig. 2 eine Feldliniendarstellung des Hubmagneten nach Fig. 1 bei ausgeschalteten Spulen 22, 32 in Position "a" mit resultierender Kraftwirkung F in Richtung der Endlage "a", Fig. 2 shows a field line representation of the solenoid of FIG. 1 in the switched-off coils 22, 32 in position "a" with a resulting force effect F in the direction of the end position "a",

Fig. 3 eine Feldliniendarstellung des Hubmagneten nach Fig. 1 bei eingeschalteter Spule 22 und ausgeschalteter Spule 32 in Position "a" mit resultierender Kraftwirkung F in Richtung der Endlage "b", Fig. 3 shows a field line representation of the solenoid of FIG. 1 is switched on coil 22 and coil 32 is switched to position "a" with a resulting force effect F in the direction of the end position "b",

Fig. 4 eine Feldliniendarstellung des Hubmagneten nach Fig. 1 bei eingeschalteten Spulen 22, 32 in Position "a" mit verstärkter resultierender Kraftwirkung F in Richtung der Endlage "b", Fig. 4 shows a field line representation of the solenoid of Fig. 1 when the front coils 22, 32, in position "a" with reinforced resultant force effect F in the direction of the end position "b"

Fig. 5 eine Feldliniendarstellung des Hubmagneten nach Fig. 1 bei eingeschalteten Spulen 22, 32 in Position "b" mit verstärkter resultierender Kraftwirkung F in Richtung der Endlage "a", Fig. 5 shows a field line representation of the solenoid of Fig. 1 when the front coils 22, 32 in position "b" with reinforced resultant force effect F in the direction of the end position "a",

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild der Ansteuerschaltung des Hubmagneten nach Fig. 1, Fig. 6 is a schematic diagram of the drive circuit of the solenoid of FIG. 1,

Fig. 7 eine Weiterbildung des Hubmagneten nach Fig. 1 mit einem Magnetsystem und Fig. 7 is a development of the lifting magnet of FIG. 1 with a magnet system and

Fig. 8 eine Weiterbildung des Hubmagneten nach Fig. 1 mit einem Gleitlager. Fig. 8 is a development of the solenoid according to Fig. 1 with a plain bearing.

Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Hubmagnet besitzt eine nichtmagnetischen Gehäusehülse 1 und die Magnetsysteme 2 und 3, in welchen ein Anker 4 über ein Übertragungselement, im weiteren als Stellstange 41 bezeichnet, gelagert ist. Die Magnetsysteme 2 und 3 sind im Aufbau identisch. The lifting magnet shown in cross section in FIG. 1 has a non-magnetic housing sleeve 1 and the magnet systems 2 and 3 , in which an armature 4 is mounted via a transmission element, hereinafter referred to as actuating rod 41 . The magnet systems 2 and 3 are identical in construction.

Das Magnetsystem 2 besteht aus einer körperlos gewickelten Spule 22, einem den magnetischen Fluss leitenden Stator 21 und einem Gleitlager 23, in welchem die Stellstange 41 und damit indirekt der Anker 4 gelagert ist. Das Magnetsystem 3 besteht aus einer körperlos gewickelten Spule 32, einem den magnetischen Fluss leitenden Stator 31 und einem Gleitlager 33, in welchem die Stellstange 41 auf der anderen Seite gelagert ist. Die Stellstange 41 ist unmagnetisch und in den Gleitlagern 23, 33 gelagert. Der ringförmige Anker 4 besitzt eine Dauermagnetanordnung 44, welche vorzugsweise als radial magnetisierter Ringmagnet aus NbFeB ausgeführt ist, zwei den magnetischen Fluss leitenden Ringe 42, 43 und zwei nichtmagnetischen Dämpfungselemente 45, 46. The magnet system 2 consists of a body-wound coil 22 , a stator 21 that conducts the magnetic flux, and a slide bearing 23 in which the actuating rod 41 and thus indirectly the armature 4 is mounted. The magnet system 3 consists of a body-wound coil 32 , a stator 31 which conducts the magnetic flux and a slide bearing 33 in which the actuating rod 41 is mounted on the other side. The actuating rod 41 is non-magnetic and is mounted in the slide bearings 23 , 33 . The ring-shaped armature 4 has a permanent magnet arrangement 44 , which is preferably designed as a radially magnetized ring magnet made of NbFeB, two rings 42 , 43 that conduct the magnetic flux and two non-magnetic damping elements 45 , 46 .

Die Elemente Stator 21 und Spule 22; Stator 31 und Spule 32; Hülse 1, Stator 21 und Stator 31; Stellelement 41 und Ring 42; Ring 42 und Dauermagnet 44; Dauermagnet 44 und Ring 43; Dämpfungselement 45, Ring 42, Ring 43 und Dauermagnet 44; sowie Dämpfungselement 46, Ring 42, Ring 43 und Dauermagnet 44 sind vorzugsweise durch Kleben miteinander verbunden. The elements stator 21 and coil 22 ; Stator 31 and coil 32 ; Sleeve 1 , stator 21 and stator 31 ; Actuator 41 and ring 42 ; Ring 42 and permanent magnet 44 ; Permanent magnet 44 and ring 43 ; Damping element 45 , ring 42 , ring 43 and permanent magnet 44 ; and damping element 46 , ring 42 , ring 43 and permanent magnet 44 are preferably connected to one another by gluing.

Die weichmagnetischen Ringe 42, 43 konzentrieren den magnetischen Fluss. Zwischen den Ringen 42, 43 und dem Dauermagneten 44 besteht ein Spalt, der minimiert wird, indem die Ringe 42, 43 in axialer Richtung geschlitzt und so beschaffen sind, dass die Ringe 42, 43 durch ihre Federwirkung eng am Dauermagneten 44 anliegen. The soft magnetic rings 42 , 43 concentrate the magnetic flux. There is a gap between the rings 42 , 43 and the permanent magnet 44 , which is minimized by the rings 42 , 43 being slotted in the axial direction and designed in such a way that the rings 42 , 43 bear tightly against the permanent magnet 44 due to their spring action.

Die Gehäusehülse 1 und das Stellelement 41 sind aus nichtmagnetischem Material, was zu einem großen magnetischen Widerstand führt, und reduzieren somit die Streuflüsse zum offenen Magnetsystem 3. The housing sleeve 1 and the actuating element 41 are made of non-magnetic material, which leads to a large magnetic resistance, and thus reduce the stray fluxes to the open magnet system 3 .

Wegen des zeitlich begrenzten Stromimpulses werden die Spulen 22, 32 übererregt und müssen nicht für Dauerbetrieb (100% ED) ausgelegt sein. Dadurch ergeben sich deutlich kleinere und leichtere Spulen 22, 32. Because of the time-limited current pulse, the coils 22 , 32 are overexcited and do not have to be designed for continuous operation (100% ED). This results in significantly smaller and lighter coils 22 , 32 .

Der Hubmagnet muss so dimensioniert sein, dass dieser an die zu bewegende Last angepasst ist. Entsprechend ändern sich Masse, Volumen und die Schaltzeiten des Hubmagneten. The solenoid must be dimensioned so that it connects to the load to be moved is adjusted. Change accordingly Mass, volume and the switching times of the solenoid.

Die Distanzelemente 45, 46 dienen dazu, die Haltekraft des Hubmagneten zu verringern und den Aufprallimpuls zu dämpfen. The spacer elements 45 , 46 serve to reduce the holding force of the lifting magnet and to dampen the impact pulse.

Für die Fig. 2 bis Fig. 5 ist der Hubmagnet nur im Halbschnitt dargestellt und es sind nur die Komponenten Stator 21, Spule 22, Stator 31, Spule 32, Ring 42, Ring 43 und Dauermagnet 44 eingezeichnet, die für den Magnetkreis von Bedeutung sind. Als Grundlage für die Feldlinienbilder dient der Hubmagnet aus Fig. 1 mit seinem Anker 4. For the Fig. 2 to Fig. 5 the lifting magnet is shown only in the half section and it is only the components of stator 21, coil 22, stator 31, coil 32, ring 42, ring 43 and permanent magnet 44 located, which for the magnetic circuit of importance are. The lifting magnet from FIG. 1 with its armature 4 serves as the basis for the field line images.

Im unbestromten Zustand nach Fig. 2 befindet sich der Anker 4 des Hubmagneten in der einen Endlage "a", wie sie z. B. in Fig. 1 eingezeichnet ist. Der Dauermagnet 44 des Ankers 4 erzeugt einen magnetischen Fluss, der zum größten Teil über den Stator 21 zum Dauermagneten 44 wieder zurück fließt und dadurch den Anker 4 mit einer Kraft F in dieser Endlage festhält. Ein sehr geringer magnetischer Fluss erstreckt sich über den Stator 31. In the currentless state of Fig. 2, the armature 4 of the solenoid is in one end position "a" as such. B. is drawn in Fig. 1. The permanent magnet 44 of the armature 4 generates a magnetic flux which for the most part flows back to the permanent magnet 44 via the stator 21 and thereby holds the armature 4 in this end position with a force F. A very low magnetic flux extends across the stator 31 .

Ein geeigneter Stromimpuls erzeugt in der Spule 22 einen magnetischen Fluss gleicher Größe, siehe Fig. 3, der dem magnetischen Fluss des Dauermagneten 44 entgegengerichtet ist und diesen sowie die Haltekraft des Ankers 4 fast vollständig kompensiert. Herrührend vom Dauermagneten 44 wird der magnetische Fluss über den Stator 31 dadurch verstärkt. Gleichzeitig erregt der Stromimpuls auch die Spule 32 derart, siehe Fig. 4, dass ein magnetischer Fluss erzeugt wird, der dem magnetischen Fluss des Dauermagneten 44 gleichgerichtet überlagert ist. Es wird so eine Kraft F auf den Anker 4 ausgeübt, dass dieser in die zweite Endlage "b" (siehe Fig. 1) bewegt wird. Nur durch den magnetischen Fluss des Dauermagneten 44 wird der Anker in der zweiten Endlage "b" festgehalten. Ein Schalten in die erste Endlage "a" erfolgt nach dem eben beschriebenen Prinzip und wird erreicht, indem ein Stromimpuls von umgekehrter Polarität in die Spulen 22 und 32 eingespeist wird (siehe Fig. 5). A suitable current pulse generates a magnetic flux of the same size in the coil 22 , see FIG. 3, which is opposite to the magnetic flux of the permanent magnet 44 and almost completely compensates for this and the holding force of the armature 4 . Due to the permanent magnet 44 , the magnetic flux through the stator 31 is thereby increased. At the same time, the current pulse also excites the coil 32 , see FIG. 4, in such a way that a magnetic flux is generated which is superimposed on the magnetic flux of the permanent magnet 44 . A force F is exerted on the armature 4 such that it is moved into the second end position "b" (see FIG. 1). The armature is held in the second end position "b" only by the magnetic flux of the permanent magnet 44 . Switching to the first end position "a" takes place according to the principle just described and is achieved by feeding a current pulse of reversed polarity into the coils 22 and 32 (see FIG. 5).

In Fig. 2 ist das magnetische Feld dargestellt, wie es sich bei ausgeschalteten Spulen 22, 32 und in Fig. 4 bei eingeschalteten Spulen 22, 32 ergibt, ohne dass der Anker 4 schon in die andere Endstellung "b" bewegt ist. In FIG. 2, the magnetic field is shown as it results in the switched-off coils 22, 32 and in Fig. 4 when the front coils 22, 32 without the anchor is already moved in the other end position "b" 4.

Die Darstellung nach Fig. 3 soll lediglich zeigen, dass die Umschaltkraft bei eingeschalteter Spule 22 und ausgeschalteter Spule 32 geringer ist, als wenn beide Spulen 22, 32 eingeschaltet sind. Allerdings reicht selbst in diesem Fall die Kraft zum Umschalten des Magneten aus. The illustration of FIG. 3 is merely intended to show that the changing-over is switched on and the coil 22 is switched off coil 32 is lower than when both coils 22, 32 are turned on. However, even in this case, the force to switch the magnet is sufficient.

Die Ansteuerschaltung, die in Fig. 6 schematisch dargestellt ist, besteht aus einem Energiespeicher 7, der über einen Schalter mit der Schalterstellung S1 niederohmig an die Spannungsquelle U angekoppelt ist. In Reihe zum Energiespeicher 7 sind die Spulen 22, 32 angeordnet, durch die beim Aufladen des Energiespeichers 7 ein Ladestrom bzw. Stromimpuls fließt. Der Stromimpuls löst einen Schaltvorgang aus. Beide Spulen 22, 32 können sowohl in Reihe als auch parallel miteinander verschaltet sein, so dass die gewünschte Kraftwirkung erzeugt wird. The control circuit, which is shown schematically in FIG. 6, consists of an energy store 7 , which is coupled to the voltage source U in a low-resistance manner via a switch with the switch position S1. In series with the energy store 7 , the coils 22 , 32 are arranged, through which a charging current or current pulse flows when the energy store 7 is being charged. The current pulse triggers a switching process. Both coils 22 , 32 can be connected to one another both in series and in parallel, so that the desired force effect is generated.

Ein weiterer Schaltvorgang wird ausgelöst, indem der Schalter in die Stellung S2 umgelegt wird. Der Energiespeicher 7 entlädt sich in Form eines Stromimpulses über die Spulen 22, 32. Dabei kehrt sich die Polarität an den Spulen 22, 32 um und der Anker wird in die erste Endlage geschaltet. Another switching process is triggered by switching the switch to position S2. The energy store 7 discharges in the form of a current pulse via the coils 22 , 32 . The polarity on the coils 22 , 32 is reversed and the armature is switched to the first end position.

Soll die für manche Zwecke unerwünschte hohe Belastung der Spannungsquelle durch den anfänglich sehr hohen Ladestrom des Energiespeichers 7 vermieden werden, kann die Ladung des Energiespeichers 7 getrennt von der eigentlichen Steuerung des Hubmagneten ausgeführt und mit einer Strombegrenzung versehen werden. Der Hubmagnet wird dann in einer üblichen H-Brückenschaltung angeordnet und mit dem Energiespeicher 7 verbunden. Durch eine entsprechende Ansteuerung der H-Brücke kann die Stromrichtung durch den Hubmagnet gewählt werden. If the undesirable high load on the voltage source due to the initially very high charging current of the energy store 7 is to be avoided for some purposes, the charging of the energy store 7 can be carried out separately from the actual control of the lifting magnet and be provided with a current limitation. The lifting magnet is then arranged in a conventional H-bridge circuit and connected to the energy store 7 . The current direction through the solenoid can be selected by appropriately controlling the H-bridge.

Weitere Ausgestaltungsbeispiele illustriert die Fig. 7. Es ist ein Hubmagnet dargestellt, der nur ein Magnetsystem 2 und eine Feder 5 sowie ein Gehäusetopf 6 benötigt. Je nach Dimensionierung der Feder 5 ergibt sich ein mono- oder ein bistabiler Hubmagnet. 7 illustrates further design examples. A lifting magnet is shown which only requires a magnet system 2 and a spring 5 and a housing pot 6 . Depending on the dimensioning of the spring 5 , a mono- or a bistable solenoid results.

Der Anker 4 wird über das Gleitlager 23 im Magnetsystem 2 und über ein Gleitlager 33 im nichtmagnetischen Gehäusetopf 6 geführt. In der in Fig. 7 dargestellten Endlage "a" wird der Anker 2 durch den Dauermagneten 44 gehalten. Ein Schalten ist möglich, indem ein Stromimpuls in die Spule 22 eingeleitet wird, der den magnetischen Fluss des Dauermagneten 44 kompensiert. Die vorgespannte Feder 5 bewegt den Anker 4 in die zweite Endlage "b". Ist nun die Federkraft größer als die Anzugskraft des Ankers 4 zum Magnetsystem 2 bei unbestromter Spule, verharrt der Anker 4 in der zweiten Endlage "b" dauerhaft, bis dieser durch einen Stromimpuls von umgekehrter Polarität wieder in die erste Endlage "a" bewegt wird. Der Hubmagnet ist bistabil. The armature 4 is guided via the slide bearing 23 in the magnet system 2 and via a slide bearing 33 in the non-magnetic housing pot 6 . In the end position "a" shown in FIG. 7, the armature 2 is held by the permanent magnet 44 . Switching is possible by introducing a current pulse into the coil 22 which compensates for the magnetic flux of the permanent magnet 44 . The prestressed spring 5 moves the armature 4 into the second end position "b". If the spring force is greater than the pulling force of the armature 4 to the magnet system 2 when the coil is de-energized, the armature 4 remains in the second end position "b" until it is moved back into the first end position "a" by a current pulse of the opposite polarity. The solenoid is bistable.

Wenn aber die Federkraft in der Endlage "b" kleiner als die Anzugskraft des Dauermagneten 44 ist, so fällt der Anker 4 bei unbestromter Spule 22 in die stabile Endlage "a" zurück. Mit Hilfe der Bestromung der Spule 22 kann die Aufenthaltsdauer des Ankers in der Endlage "b" eingestellt werden. Dafür reicht ein geringerer Strom als zur Einleitung des Umschaltprozesses aus, wodurch die thermische Belastung des Hubmagneten gesenkt wird. Es existiert nur die eine stabile Endlage "a". Die Endlage "b" ist nicht stabil und wird nur bei bestromter Erregerwicklung 22 eingenommen. Der beschriebene Hubmagnet verhält sich also monostabil, wie übliche elektromagnetische Hubmagnete ohne Permanentmagnete. If, however, the spring force in the end position "b" is less than the attraction force of the permanent magnet 44 , the armature 4 falls back into the stable end position "a" when the coil 22 is not energized. With the aid of the energization of the coil 22 , the length of stay of the armature in the end position "b" can be set. A lower current is sufficient than to initiate the switching process, which reduces the thermal load on the solenoid. There is only one stable end position "a". The end position "b" is not stable and is only assumed when the excitation winding 22 is energized. The lifting magnet described thus behaves monostably, like conventional electromagnetic lifting magnets without permanent magnets.

In Fig. 8 ist eine Weiterbildung des Hubmagneten dargestellt, indem der Anker 4 nur durch ein einziges Gleitlager 34 geführt wird. Dadurch verringert sich der Aufwand und es ergeben sich Vereinfachungen in Fertigung und Montage. FIG. 8 shows a development of the lifting magnet in that the armature 4 is only guided through a single sliding bearing 34 . This reduces the effort and simplifies production and assembly.

Selbstverständlich sind jedoch Abweichungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich, die weiterhin unter den Gegenstand der Erfindung fallen. Of course, however, there are deviations from those shown Embodiments possible, which continue under the The subject of the invention fall.

Claims

1. Electromagnetic solenoid with permanent magnet, consisting of at least one magnet system having a stator and an excitation winding for generating a magnetic flux in the direction of movement of an armature opposite the magnet system, which works on a transmission element, characterized in that the armature ( 4 ) is perpendicular to its direction of movement Has polarized permanent magnet arrangement ( 44 ).

2. Electromagnetic solenoid according to claim 1, characterized by two axially spaced, preferably magnetically separated, magnet systems ( 2 , 3 ), between which the armature ( 4 ) is guided.

3. Electromagnetic solenoid according to claim 1 or 2, characterized in that the armature ( 4 ) is disc or ring-shaped.

4. Electromagnetic solenoid according to claim 3, characterized in that the permanent magnet arrangement ( 44 ) of the armature ( 4 ) in the magnetization direction is surrounded by at least one soft magnetic element ( 42 , 43 ).

5. Electromagnetic lifting magnet according to claim 4, characterized in that at least one soft magnetic element is a ring ( 42 , 43 ) and has an annular gap and rests like a spring ring on an annular, radially magnetized permanent magnet arrangement ( 44 ).

6. Electromagnetic lifting magnet according to one of claims 3 to 5, characterized in that the strength of the armature ( 4 ) by the or the soft magnetic elements ( 42 , 43 ) is determined.

7. Electromagnetic lifting magnet according to at least one of the preceding claims, characterized in that the end faces of the armature ( 4 ) on one or both sides with non-magnetic damping elements ( 45 , 46 ) are occupied.

8. Electromagnetic lifting magnet according to claim 1, characterized in that the transmission element is a non-magnetic actuating rod ( 41 ).

9. Electromagnetic solenoid according to at least one of the preceding claims, characterized in that the one or more magnet systems ( 2 , 3 ), the armature ( 4 ) and the actuating rod ( 41 ) of a non-magnetic, sleeve-like or pot-like housing ( 1 ; 6 ) are composed.

10. Electromagnetic solenoid according to at least one of the preceding claims, characterized in that the armature ( 4 ) is rigidly connected to the actuating rod ( 41 ).

11. Electromagnetic solenoid according to at least one of the preceding claims, characterized in that the armature ( 4 ) and / or the actuating rod ( 41 ) at least at one point in the housing ( 1 ) or at least one point in the stator ( 21 , 31 ) at least a magnet system ( 2 , 3 ) are guided.

12. Electromagnetic solenoid according to claim 11, characterized by a slide bearing guide of the actuating rod ( 41 ) in at least one stator ( 21 , 31 ).

13. Electromagnetic solenoid according to claim 1 or 2, characterized in that the coil (s) ( 22 , 32 ) are wound disembodied.

14. Electromagnetic solenoid according to claim 1, 2 or 13, characterized in that the coil (s) ( 22 , 32 ) is / are designed to be volume-minimized and, in the case of a brief switchover pulse, the maximum current density of the excitation winding for continuous operation exceeds values many times over.

15. Electromagnetic solenoid according to one of the preceding Expectations, characterized, that to connect components of the solenoid at least an adhesive connection is realized.

16. Electromagnetic lifting magnet according to claims 2, 13 and / or 14, characterized in that the coils ( 22 , 32 ) are connected to one another in series or in parallel and a control circuit a time-limited electrical pulse with changing polarity or constant polarity for switching the Solenoids.

17. Electromagnetic solenoid according to claim 1, characterized by a design with only one magnet system ( 2 ) and a spring-loaded actuating element ( 41 ).

18. Electromagnetic solenoid according to claim 17, characterized by a monostable design in which a spring ( 5 ) is dimensioned such that it leads to switching to the stable position with an open magnetic circuit ( 2 , 4 ) and deenergized excitation winding ( 22 ).

19. Electromagnetic solenoid according to one of the preceding Expectations, characterized, that a targeted influence on the force-displacement characteristic of the Solenoids by known methods for Influencing the characteristic curve is achieved.